柔性航天器在軌振動主動控制研究.pdf

1、 采取多種展開形式的大型航天器往往具有較強的柔性，對其在空間工作時產生的振動需要進行抑制以滿足航天器任務的需求。本文針對柔性航天器進行了動力學建模、模型修正、非線性姿態(tài)與振動控制、魯棒振動控制及振動控制實現(xiàn)策略等方面的研究，旨在為柔性航天器振動控制的實際工程應用提供理論依據(jù)和技術支持。主要研究內容如下：
1. 根據(jù)混合坐標法和拉格朗日方程推導了柔性航天器的動力學模型，并提出一種附加質量法分析薄板在空氣場中的非線性振動問題

2、。針對航天器柔性結構在地面實驗中的非線性振動問題，引入 Green-Lagrange 應變修正非線性薄板的一階剪切變形，采用虛功原理建立薄板有限元模型，再通過速度勢函數(shù)和格林函數(shù)計算空氣場加載在薄殼上的壓力獲得附加質量，利用附加質量對原結構進行修正。將所獲得的柔性結構地面非線性動力學分析結果用于修正柔性航天器模型，從而獲得相對精確的在軌工作時的動力學模型。
2. 基于壓電智能材料和模態(tài)控制方法構造了三軸穩(wěn)定柔性航天器的姿態(tài)

3、控制和振動控制系統(tǒng)。利用頻帶隔離思想，設計了柔性結構的正位置反饋（Positive Position Feedback，PPF）振動主動控制器。建立了壓電智能板的有限元模型，并導出壓電作動器的模態(tài)控制力以及結構的模態(tài)位移?？紤]到姿態(tài)確定系統(tǒng)、姿態(tài)控制執(zhí)行器及 PPF 控制器，建立了三軸穩(wěn)定柔性航天器姿態(tài)控制與振動控制的全數(shù)字仿真模型，通過算例驗證了模型以及控制方法的有效性。
3. 設計了抗干擾能力較強的基于狀態(tài)相關 Ric

4、atti 方程（ State-Dependent Riccati Equation，SDRE）的姿態(tài)控制器，并利用自適應方法增強了一階PPF控制器的魯棒性。根據(jù)航天器姿態(tài)角與姿態(tài)角速度兩類變量變化速度的不同，將姿態(tài)動力學、運動學分解為內、外兩個控制回路，再將非線性動力學偽線性化，每個回路設計相應的積分型SDRE控制器。同時，研究了一階PPF控制器特性，利用自適應思想設計了柔性結構的自適應PPF振動控制器，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性，并且較好

5、地解決了控制器性能和精度之間的矛盾。通過算例驗證了所提出的姿態(tài)與振動控制器的有效性。
4. 基于線性矩陣不等式（Linear Matrix Inequality，LMI）提出了一種非線性系統(tǒng)的魯棒控制方法，并利用所得方法和結論設計了魯棒二階 PPF 控制器。針對基于模糊T-S模型的輸入受限非線性系統(tǒng)，導出控制性能指標的上界，再通過李雅普諾夫方程給出優(yōu)化的充分條件，證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將穩(wěn)定性約束和控制輸入約束變換成易求解

6、的LMIs形式。利用這一結論，將LMI方法引入到PPF控制器設計中。在帶有 PPF 控制器的閉環(huán)系統(tǒng)中，考慮到柔性結構動力學中不確定項和作動器能力的限制，將問題轉化為具有LMI約束的特征值問題進行求解，從而得到優(yōu)化后的 PPF 控制律，增強了振動控制的魯棒性。通過算例驗證了所設計的魯棒PPF控制器的有效性。
5. 面向工程應用，設計了基于多重主動調諧質量阻尼器（ Multiple Active Tuned Mass Dam

7、pers，MATMD）的柔性結構振動主動控制實現(xiàn)策略，以增強控制系統(tǒng)的可靠性。針對某柔性航天器結構，設計了以板簧和慣性質量塊組成的多重調諧質量阻尼器（Multiple Tuned Mass Dampers，MTMD）。利用位移放大系數(shù)優(yōu)化選擇了慣性元件、彈性元件和阻尼元件參數(shù)。將壓電作動器引入板簧的主動控制中，結合 PPF 控制方法，推導出基于壓電作動器的模態(tài)控制方程。通過實例對比，證明了所設計的MATMD振動控制策略的優(yōu)越性和可靠性。